缺陷检测是基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工前的重要工艺流程，但目前先进空白晶圆缺陷检测设备光源多位于深紫外波段，恰好在KrF等深紫外光刻胶的感光范围内，检测带有该光刻胶的晶圆表面时易导致光刻胶感光而改性失效。针对此问题，笔者提出并设计了一种基于可见光波段的激光偏振暗场检测装置。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，有效提高了颗粒信号的信噪比。实验结果表明：所设计的装置在不影响光刻胶的同时还可以减少金属膜层表面散射所带来的缺陷误检。在对百纳米级颗粒进行检测时，由于使用了激光照明及高灵敏度的sCMOS作为探测器件，本装置单次曝光时间仅为150 μs，是奥林巴斯公司基于白光的DSX1000暗场显微镜的4‰左右。通过抑制噪声，笔者采用该装置实测了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm的银膜表面上直径为61 nm的聚苯乙烯乳胶颗粒，结果显示，该装置在探测极限和探测效率上较DSX1000均有较大提升。

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题, 设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先, 通过双潜望式光路结构, 将激光发生平面与散射探测平面分离, 减小了激光器对探测角度的遮挡; 同时, 通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体, 避免了容器的杯壁散射, 提高背散射测量的准确性。根据实际工艺, 改进出射棱镜, 设计系统样机, 实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理, 根据数据矫正算法, 矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果, 证明方法的可靠性。

针对较厚的组织,普遍采用的自适应光学技术由于其单次校正视场范围有限,空间光调制器或可变形镜的刷新率有限,难以满足大视场范围波前畸变的快速校正,进而难以满足大视场高速成像的需求。结合共轭型自适应光学系统和相干光自适应校正技术,提出了一种并行的波前畸变校正算法,该算法可以在不增加空间光调制器等刷新次数的前提下,通过并行测量多个导引星的波前畸变,实现大视场范围内像差的一次性校正,为生物组织深处的高速、高分辨成像提供一种可行的参考方案。仿真结果表明:在采用9个导引星时,针对5层随机相位屏构成的薄散射介质,该算法单次校正的有效视场约为传统算法的4.7倍;对于120 μm厚的小鼠大脑组织切片样本,单次校正的有效视场约为传统算法的4.6倍。所提算法可以通过增加导引星的数量来进一步增大一次校正的视场范围,并且不会显著增加校正时间,在活体生物样本的大视场成像中具有广阔的应用前景。

太赫兹后向散射强度是描述目标对太赫兹散射能力的一个重要参数。首先通过测量校准目标验证了2.52 THz后向散射特性测量系统的可行性, 并测得了系统的信噪比。在此基础上, 对6种尺寸铣削和喷砂加工矩形铝板的相对后向散射强度进行测量, 测量范围为0°~3°。实验结果表明: 测量的最大动态范围为32.25 dB; 不同尺寸喷砂铝板的相对后向散射强度之差较铣削铝板更明显; 在0°处, 相同表面积的铣削和喷砂铝板回波的平均偏差分别约为1.35 dB和0.51 dB。

为了实现对用于校准能见度仪的标准散射体的快速准确定标, 通过测量标准散射体不同散射角的散射系数, 实现对标准散射体不同散射角所模拟的大气能见度进行准确定标并对定标系统进行校准.根据定标系统的组成与工作原理, 确定定标系统的校准方法并建立相应的校准链, 并设计校准链的各组成部分的校准方法.通过对已知散射系数的标准散射体进行定标, 验证校准后定标系统定标结果的准确性, 进而验证了定标系统校准方法的正确性.实验结果证明: 定标系统对标准散射体的散射系数定标结果的误差为7.93%; 经由定标系统定标的标准散射体所模拟的大气能见度的最大误差为8.61%, 满足用于校准能见度仪的标准散射体的使用要求.

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷, 提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法, 并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术, 结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描, 用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术, 对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像, 再对其进行二值化处理, 提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量, 结果显示其检测分辨率优于40 μm, 能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据, 从而节省了大量成本。

为了研究太赫兹散射特性测量中准直系统的影响因素，利用Zemax光学设计仿真软件对太赫兹散射特性测量中的准直系统进行建模以及仿真。分别从出射激光的束腰和发散角这两个方面，研究了在118.83 μm的太赫兹发射源中，出射激光对准直光束的准直性、宽度和发散角的影响，为散射特性的精确测量提供一定的理论支撑。

太赫兹目标散射特性的测量是太赫兹成像等研究领域的一个重要环节。在测量中，为了获得高准直度的宽光束和减少能量损耗，需引入离轴抛物面镜。但离轴抛物面镜的引入会带来装调困难。利用光学设计软件Zemax，分别分析了光学系统中的准直系统和收集系统，通过对三个离轴抛物面镜的倾斜角和偏心距的分析，得出了在118.83 μm的太赫兹发射源中，系统可允许的离轴抛面镜最大装调误差。

搭建了以0. 2 THz返波管振荡器源、热释电探测器、小型自动旋转光学平台等组成的太赫兹波目标散射特性实验测试系统, 对两种不同粗糙度铜盘表面的散射特性进行了测试, 表明: 太赫兹金属粗糙目标散射中导体表面的感应电流产生电磁散射和粗糙导体表面引起的朗伯散射是同时存在的; 在斜入射时这种近似于朗伯体的金属粗糙表面几乎可以被看成镜体, 但随着目标表面的粗糙度变大, 反射变弱, 散射增强, 主峰向小于反射角的方向偏移; 在垂直入射的情况下, 散射角小于40度时散射曲线下降较快, 超过40度散射曲线变化变得很缓慢, 但在50度附近很多材料都会出现一个小的散射峰.

对彩虹测粒技术的参数反演进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法。新算法基于经验模态分解(EMD)的去噪技术,能在较低信噪比(SNR)条件下有效滤除噪声干扰,并能有效避免信号损失和信号的空间偏移;提出了一种特征点提取技术,能有效压缩反演计算量;提出了基于电磁散射中德拜（Debye）理论的反演最优点搜索算法,能较精确迅速地找到反演最优点;提出了基于米氏（Mie）理论的参数精确反演,大大提高了反演的准确性,降低了折射率的反演误差,扩大了算法适用范围。为验证算法精度,模拟分析了直径范围35 ～900 μm,折射率范围1.32～1.34的水液滴在不同噪声环境下的参数反演。结果表明,在信噪比高于40 dB的情况下,直径反演结果可精确到1 μm,折射率反演结果可精确到小数点后三位;当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10％,折射率反演最大误差小于0.1％。